Un equipo del Instituto de Neurociencias (IN), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y de la Universidad Miguel Hernández de Elche (UMH), ha desarrollado el primer atlas multiómico del tálamo embrionario de ratón, una herramienta que permite reconstruir cómo se forman los distintos tipos de neuronas de esta región cerebral durante el desarrollo.
El estudio, publicado en Nature Neuroscience, revela que las neuronas sensoriales y las relacionadas con funciones motoras y asociativas siguen trayectorias de desarrollo diferentes desde etapas tempranas. Además, los investigadores identifican el gen Sp9 como un regulador esencial para que las neuronas visuales adquieran correctamente su identidad.
El tálamo es una estructura clave del cerebro que no solo transmite información a la corteza cerebral, sino que también integra señales procedentes de los sentidos y participa en la organización de los mapas sensoriales. El laboratorio Desarrollo, Plasticidad y Reprogramación de Circuitos Sensoriales, liderado por la investigadora Guillermina López-Bendito en el IN CSIC-UMH, ha contribuido a revelar este papel activo del tálamo a lo largo de los últimos años.
Esta región está formada por distintos núcleos, con grupos de neuronas especializadas en funciones sensoriales, motoras y asociativas. Sin embargo, aún quedan preguntas sobre cómo se forman durante el desarrollo embrionario y qué determina la identidad de sus neuronas. En este estudio, la colaboración con el investigador José López-Atalaya, director del laboratorio Plasticidad Celular y Neuropatología del IN CSIC-UMH, ha permitido reconstruir las trayectorias de estas células e identificar los programas genéticos que intervienen en su diferenciación.
Un atlas para reconstruir el desarrollo del tálamo
Para estudiar cómo se forman los distintos tipos de neuronas del tálamo, el equipo analizó células individuales del cerebro embrionario de ratón en diferentes etapas del desarrollo. Este mapa ha permitido seguir la trayectoria de miles de neuronas desde sus primeras etapas hasta su especialización final.
Los investigadores estudiaron por separado cada célula para conocer qué genes estaban activos en ella e identificar qué regiones del ADN eran accesibles para regular la actividad de esos genes. «Al integrar estas dos capas de información, pudimos reconstruir cómo se diferencian las células a lo largo del tiempo e identificar los programas de regulación genética que controlan esas trayectorias», explica López-Atalaya.
Uno de los principales hallazgos es que las neuronas del tálamo no siguen una única ruta de especialización. Los datos revelan dos grandes linajes que divergen muy pronto durante el desarrollo embrionario: uno dará lugar a los núcleos sensoriales y otro a los núcleos relacionados con funciones motoras y asociativas.
Además, ambos programas genéticos progresan a ritmos diferentes, de modo que los circuitos sensoriales alcanzan determinadas etapas de desarrollo antes que los asociados a funciones cognitivas y motoras.
Dentro de la vía sensorial, el equipo descubrió también una etapa intermedia inesperada. Antes de especializarse, algunas neuronas pasan por un estado molecular similar al de las células que forman los núcleos de orden superior del tálamo.
A diferencia de los núcleos de primer orden, que transmiten a la corteza cerebral información procedente de los sentidos, como la vista o el tacto, los de orden superior participan en circuitos más complejos de comunicación entre regiones cerebrales.
Para comprobar que las células seguían esta trayectoria, los investigadores utilizaron una técnica de marcaje genético que permite seguir el destino de las células progenitoras y de las neuronas que generan. «Esto nos permitió validar experimentalmente las relaciones entre células que habíamos predicho y descubrir que, dentro del linaje sensorial, las células pasan primero por un estado similar al de los núcleos de orden superior antes de convertirse en neuronas sensoriales, como las visuales o las somatosensoriales», explica el investigador Lorenzo Puche-Aroca, primer autor del estudio.
El gen Sp9 es clave para la identidad de las neuronas visuales
A partir de los programas genéticos identificados en el atlas, el equipo señaló el gen Sp9 como un regulador esencial para que determinadas neuronas del tálamo adquieran una identidad visual específica. Este gen contiene la información para producir la proteína SP9, un factor de transcripción que regula la actividad de otros genes.
Para comprobar su función, los investigadores redujeron experimentalmente la actividad de Sp9 durante el desarrollo embrionario del ratón. «Quisimos ir más allá y comprobar si realmente desempeñaban una función en la especialización de sus neuronas. Al reducir la actividad de Sp9, vimos que las neuronas visuales no adquirían correctamente su identidad. Esto demuestra que este gen desempeña un papel clave en el establecimiento de las características que distinguen a estas neuronas durante el desarrollo», explica López-Bendito.
Los resultados proporcionan una nueva herramienta para estudiar cómo se organiza el tálamo durante el desarrollo y cómo se establecen sus circuitos y funciones. Este conocimiento ofrece un marco de referencia para comprender mejor algunas alteraciones que pueden estar relacionadas con trastornos del neurodesarrollo y enfermedades neurológicas, aunque serán necesarios nuevos estudios para determinar las implicaciones de estos hallazgos.
